DE3023337A1

DE3023337A1 - Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in gasen, insbesondere in abgasen von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3023337A1
Application number: DE19803023337
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl Ing Csanitz; Helmut Dipl Ing Weyl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-06-21
Filing date: 1980-06-21
Publication date: 1982-01-14
Also published as: JPS5729941A; DE3023337C2; US4437971A; JPS6348017B2

Description

κ. 6 361

28.5.1980 Zr/Kö

ROBERT BOSCH GMBH₃ 7000 Stuttgart 1

Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftmaschinen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein Meßfühler aus der DE-OS 23 44 245 bekannt, bei dem dieser Aufbau vorliegt, bei dem sich jedoch nach einer Laufzeit im Meßgas eine Verschiebung (Verringerung) der Signalspannungen einstellt, was eine nicht mehr optimale Brennstoffzuführung zur Brennkraftmaschine zur Folge hat; derartige Meßfühler können - wie in der vorstehend genannten DE-OS 23 44 245 - einen Festelektrolyt-Hohlraum von ringförmigem Querschnitt haben, sie können aber auch einen Hohlraum mit einem anderen Querschnitt haben, z.B. einen rechteckigen (DE-OS 29 09 452) oder einen, innerhalb dem ein Heizelement angeordnet ist (DE-OS 29 09 452, DE-OS 27 32 743, DE-OS 28 41 .771), Diese Meßfühler können sowohl nach dem potentiometrischen als auch nach dem polarographischen Meßprinzip (DE-OS 27 11 880) arbeiten.

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- ^R- 6 3 ο 1

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den 'Vorteil, daß er während seiner Laufdauer im Meßgas praktisch seine Signalspannungen beibehält und darüber hinaus seine Bezugselektrode vor aus der Umgebungsluft hereingesaugtem Schmutz schützt, der anderenfalls eine schlechtere .Aktivität der Bezugselektrode zur Folge haben könnte.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert; die Figur zeigt einen Teilschnitt längs durch einen vergrößert dargestellten elektrochemischen Meßfühler, der nach dem polarographischen Prinzip arbeitet.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in der Figur dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 entspricht in seinem Aufbau weitgehend dem in der DE-OS 27 32 7^3 in Figur 1 dargestellten Meßfühler, unterscheidet sich von diesem jedoch dadurch, daß er in einen nach dem polarographischen Meßprinzip arbeitenden Meßfühler abgeändert und um das erfinderische Merkmal bereichert wurde*

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Der elektrochemische Meßfühler 10 besitzt ein sauerstoffionenleitendes Festelektrolytrohr 11, das aus stabilisiertem kubischen Zirkondioxid besteht, an seinem in ein nicht dargestelltes Abgasrohr ragendem Ende einen angeformten Boden 12 hat und an seiner Außenseite mit einem angeformten Flansch 13 versehen ist. Auf seiner äußeren Oberfläche ist das Festelektrolytrohr 11 mit einer Meßelektrode 14 beschichtet, die porös und bevorzugterweise katalytisch wirksam ist; diese Meßelektrode 14, die aus einer 10 Jim dicken Platinschicht bestehen kann, ragt über den Festelektrolytrohr-Flansch 13 hinaus und steht mit einer bekannten elektrisch leitfähigen Dichtmasse 15 in Kontakt, über welche sie mit einem metallischen, an Masse liegenden Gehäuse 16 verbunden ist. Die Meßelektrode 14 ist mit einer Diffusionsbarriere 17 für Sauerstoffmoleküle abgedeckt, welche bevorzugt über den ganzen vom Meßgas bestrichenen Bereich des Festelektrolytrohres 11 reicht; diese Diffusionsbarriere 17 ist 400 μΐη dick und porös. Eine derartige Diffusionsbarriere 17 auf der Meßelektrode 14 eines Meßfühlers 10 ist bereits in der DE-OS 27 11 880 näher beschrieben. Das Festelektrolytrohr 11 ist in der Längsbohrung 18 des Gehäuses 16 abdichtend fixiert, wie es bereits in der DE-OS 27 32 743 beschrieben ist. An diesem Gehäuse 16 ist ein Schutzrohr

19 befestigt, das den meßgasseitigen Endabschnitt des Festelektrolytrohres 11 mit Abstand umgibt und Öffnungen

20 für den Zutritt von Meßgas zur Diffusionsbarriere 17 hat.

Auf der Oberfläche des Festelektrolytrohr-Hohlraumes 21 ist eine Bezugselektrode 22 aufgebracht, die vorzugsweise auch aus Platin besteht, etwa 10 pm dick und porös ist und bis auf die anschlußseitige Stirnfläche 23 des

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Pestelektrolytrohres 11 führt. In dem Hohlraum 2I₃ dessen Durchmesser etwa 5 mm beträgt, ist koaxial ein Heizelement 24 mit Abstand von der Oberfläche des Hohlraumes 21 angeordnet. Dieses Heizelement 24, das bereits in der DE-OS 27 32 743 beschrieben wurde, hat eine Widerstandsdrahtwendel 25, die innerhalb einer dünnwandigen Metallhülse 26 angeordnet und in eine elektrisch isolierende, Wärme gut leitende Pulverpackung 27 (z.B. Magnesiumoxid) eingebettet ist; das dem Festelektrolytrohr-Boden 12 zugewendete Ende der Widerstandsdrahtwendel 25 ist mit dem Metallhülsen-Boden 28 durch Schweißen verbunden. Der anschlußseitige Endabschnitt der Widerstandsdrahtwendel 25 ist an einen Anschlußbolzen 29 geschweißt, der in den offenen Endabschnitt der Metallhülse ZS ragt und mit einer Anschlußschiene 30 in Verbindung steht. Die Metallhülse 26 des Heizelementes 24 steht über eine metallische Zwischenhülse 31 mit dem an Masse liegenden Gehäuse 16 in Verbindung und wird durch diese Zwischenhülse 31 gleichzeitig auf im Festelektrölytrohr-Hohlraum 21 fixiert. Wegen diesbezüglicher Einzelheiten wird nochmals auf die DE-OS 27 32 743 verwiesen.

Der Festelektrolytrohr-Hohlraum 21 besitzt an seinem anschlußseitigen Endabschnitt eine Aufbohrung 32, welche die Zwischenhülse 31 mit Abstand umgibt und in der sich eine grob poröse, elektrisch nicht leitende Keramikhülse als Trennmittel 33 befindet; dieses Trennmittel 33 wird durch eine metallische Tellerscheibe 34 mit Rohransatz in der .Hohlraum-Aufbohrung 32 gehalten.. Die Tellerscheibe 34 dient außerdem noch als Kontaktelement für.die Bezugslektrode 22 und steht über eine unter Vorspannung stehende Druckfeder 3^ und weitere nicht dargestellte, durch eine Metallhülse 37 verdeckte Teile mit einer Anschlußschiene 38 in elektrischer Verbindung.

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^η· 63 6-i

Der zwischen dem stiftförmigen Heizelement 24 und dem Pestelektrolytrohr 11 verbleibende Teil des Hohlraumes 21 "enthält erfindungsgemäß bewegliche Körner 39, die gegenüber Sauerstoff inert und mindestens so hart sind wie die Oberfläche der Bezugselektrode 22, mit der sie in Kontakt stehen. Diese Körner 39 bestehen aus Aluminiumoxid und haben eine Teilchengröße zwischen 20 μια. und 200 μτη; der Füllungsgrad hängt von der Einbaulage des Meßfühlers 10 im Meßgasrohr ab, liegt in diesem Beispiel bei 95 %) kann jedoch auch zwischen wenigen Volumenprozenten und bis zu fast 100 Volumenprozenten betragen. Anstelle von Aluminiumoxid können aber für diese Körner 39 auch andere Stoffe dienen, z.B. stabilisiertes Zirkondioxid, Magnesiumspinell, Silikate. Da derartige Meßfühler 10 häufig in nicht dargestellten Meßgasrohren eingebaut sind, die Erschütterungen ausgesetzt sind, reiben diese Körner 39 stets die Oberfläche der Bezugselektrode 22 auf und sorgen somit für eine stetige Reaktivierung dieser Bezugselektrode 22.

Derartige Körner 39 können auch in Meßfühlern dieser Art Anwendung finden, die im Hohlraum ihres Festelektrolyten kein Heizelement haben; die Korngröße kann dann bis etwa

I mm betragen. Andererseits können anstelle des Heizelementes 24 mit Metallhülse 26 auch solche Heizelemente Verwendung finden, bei denen die Widerstandsdrahtwendel 25 auf einen Isolator aufgewickelt und keine Metallhülse 26 vorhanden ist; die Körner 39 haben in einem solchen Falle einen Füllungsgrad von nahezu 100 %, weil sie ja auch für den Wärmeübergang vom Heizelement zum Festelektrolytröhr

II sorgen müssen (siehe DE-OS 28 4l 77D.

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Anstelle von Heizelementen 24 mit Widerstandsdrahtwendeln 25 können auch schichtförmige Heizelemente direkt auf dem Pestelektrolyten aufgebracht sein-; derartige schichtförmige Heizelemente finden bevorzugt Anwendung in solchen Meßfühlern, die einen plättchenförmigen Festelektrolyten haben und deren Hohlraum über der Bezugselektrode einen rechteckigen Querschnitt haben (siehe DE-OS 29 09 452).

Während der vorstehend beschriebene Meßfühler 10 nach dem polarographischen Meßprinzip arbeitet, wobei an die Bezugselektrode 22 und an die Meßelektrode 14 eine Gleichspannung angelegt wird und die Stromstärke im angeschlossenen (nicht dargestellten) Meßkreis ein Maß für den Sauerstoffgehalt des Meßgaes ist, kann die vorliegende Erfindung auch bei Meßfühlern Anwendung finden, die nach dem potentiometrischen Meßprinzip arbeiten-; in diesem Falle entfällt die Diffusionsbarriere 17 auf der Meßelektrode 14 und wird durch eine poröse Schutzschicht ersetzt, die aus Magnesiumspinell bestehen kann.

Anstelle eines porösen Keramikröhrchens als Trennmittel 33, welches die Körner 39 am Austritt aus dem Festelektrolytrohr-Hohlraum 21 hindern soll, können auch äquivalente Mittel wie Siebe, keramisches Fasermaterial oder ähnliches treten.

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Claims

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28.5.1980 Zr/Kö

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Ansprüche

IJ Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftmaschinen, mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, der eine schichtförmige, poröse, vorzugsweise katalytisch wirksame Meßelektrode und eine mit Abstand von der Meßelektrode angeordnete schichtförmige, poröse Bezugselektrode trägt, wobei sich die Bezugselektrode in einem Hohlraum befindet, der dem Luftsauerstoff zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich in mindestens einem Teil des die Bezugselektrode (22) enthaltenden Hohlraumes (21) des Festelektrolyten (11) bewegliche Körner (39) befinden, die gegenüber Sauerstoff inert und mindestens so hart sind wie die schichtförmige Bezugselektrode (22).
2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur wenige Volumenprozente bis zu fast 100 Volumenprozent des Festelektrolytrohr-Hohlraums (21) von den Körner (39) ausgefüllt sind.

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ORIGINAL INSPECTED

6δ 61
3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Körner (39) zwischen 20 pm und 1 mm liegt.
4. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Körner (39) aus Aluminiumoxid, stabilisiertem Zirkondioxid, Magnesiumspinell oder Silikaten bestehen.
5.. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Körner (39) enthaltende Teil des Festelektrolytrohr-Hohlraums (21) mittels eines luftsauerstoffdurchlässigen Trennmittels (33) wie z.B₁ eines Siebes, eines Sinterteils, keramischen Fasermaterials begrenzt ist.
6. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Hohlraum

(21) des Festelektrolyten (11) ein elektrisches Heizelement (.24) befindet, das mit Abstand von der Bezugselektrode

(22) angeordnet ist.

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